Materiallære for romteknologi

Transkript

1 Side 1 av 7 Materiallære for romteknologi Materialteknologi er i seg selv et omfattende fagområde. Det foreliggende kurset er ment å dekke design aspektet for elektroniske innretninger som gis kortere eller lengre opphold i rom-miljø. Fagpersonalet som skal undervise hentes fra HiN s fagmiljø for industriteknikk, dvs. kompetansen ligger innfor strukturelle og miljømessige aspekter av materialteknologien i konstruksjoner. I kurset for romteknologi skal ta for oss materialer for struktur og innkapsling. Kurset undervises slik at det delvis utvikles av studenter og fagpersonell i fellesskap. Studentene går i siste år av sin bachelor-utdanning og det forutsettes at de bidrar til å rette fokus på de tema som de finner mest interessante. Dessuten har vi søkt kontakt med fagmiljø innen norsk romteknologi-industri. Resultatet av dette er ennå ikke helt klar, men vil bli innarbeidet etter hvert. Vi regner derfor med at pensum vil endres litt i forhold til fjordåret. I dette notatet skal vi ta for oss konstruksjonsmaterialer generelt. 1 Materiallære, en oversikt 1.1 Stoffer, materialer, atomer, molekyler, ioner. Materialer er byggestoffet som skal utgjøre form og funksjon i ting som brukes i av enkeltmennesker, av bedrifter og av samfunnet. Vi ser at det finnes mange typer av materialer: Materialer - for konstruksjon som leder eller isolerer elektrisk, har magnetiske egenskaper etc. med optiske egenskaper som tåler høy temperatur, ildfast I vårt fag skal vi kun omtale materialer for konstruksjon. Hvilke egenskaper har de? Materialer for konstruksjon: har fasthet seighet duktilitet stivhet kjemisk bestandighet Dessuten, spesielt for romteknologi: kombinasjonsegenskaper (ledningsevne for varme / el. strøm og magnetiske egenskaper i kombinasjon med mekaniske egenskaper) stoffavdampning (outgassing) Konstruksjonsmaterialer Hvilke materialer taler vi om? Metaller Keramer og glasser Polymermaterialer = plaster Komposittmaterialer (sammensatte)

2 Side 2 av Materialenes fysikk og kjemi Materialer er en delmengde av stoffene, dvs. all materie med masse som omgir oss. Stoffene kan deles inn og kategoriseres på forskjellig måte: Stoffer gass, væske, fast flytepunkt kokepunkt eller atomære ioniske molekylære sammensatte blandinger Stoffene består av elementære byggesteiner, submikroskopiske partikler. Atom Ion ca 90 grunnstoffer (elementer), eks.: sølv, gull, kobber, jern (stål), kvikksølv argon, helium Atomene betegnes med sitt kjemiske symbol (Ag, Au, Cu, Fe, Hg, Ar, He) Atomene har en indre struktur: kjerne, protoner, neutroner elektroner, elektronstruktur 9 Atomers størrelse er 0,2 0,5 nm ( 10 m ). Atomenes kjerne kan ikke endres (unntatt ved kjernefysiske prosesser), dvs. for konstruksjonsmaterialer interesserer vi oss kun for elektronstrukturen Atomene i elementene har like mange elektroner som det er protoner i kjernen, og er sældedes elektrisk nøytralt. Atomer kan imidlertid avgi eller ta opp et eller noen få ekstra elektroner. Dermed får de nettoladning og kalles et ion. Molekyler Atomer kan henge sammen i bestemte grupper, som kalles molekyler. Molekylet betegnes med sin kjemiske formel. oksygen ( 2 ), nitrogen (N 2 ), propan (C 3 H 8 ) Vann (H 2 ), Bensin (egl. en blanding av mange hydrokarboner som ligner hverandre, eks heptan C 7 H 16 ). sukker, parafinvoks, polyetylen (svært lange molekyler, lengden varierer H 3 C-H 2 C-H 2 C-.-CH 3 ). Svovel (S 8 ), Glass (f.eks. Si 2.Ca). Sammensatt ion En atomgruppe kan ha overskudd av ladning og kalles da også et ion (selv om dette egl. er et sammensatt ion ). Eks. ammonium, NH. Sulfat, S. Molekylære gitre I noen stoffer gjentas en formelenhet gjentas i meget stort antall i en romslig struktur. Eks.: grafitt (en type karbongitter, C ), diamant (en annen type karbongitter), Kvarts (Si 2 ) Stoffer av ioner Finnes i salter (NaCl, her er det Na ioner) og Cl - -ioner), (Al 2 3, her er det Al 3+ og

3 Side 3 av 7 Sammensatte blandinger - Blandingsplast (f.eks. en kopolymer av polyeten og polypropen) - Plastkompositter så som GRP (kan kalles GAP på norsk, glassfiber armert plast, plasten er f.eks. polyester eller epoxy, men kan også være polypropen) - Granitt (en bergart, blanding av flere mineraler som foreligger krystallinsk, egl. en kompositt) - Betong (en blanding av herdet sement og sand og stein), armert betong (oftest armert med stål, og altså også en kompositt). - Trevirke (en komplisert blanding av cellulosefibre og naturlige limstoffer), bein, hår (andre kompliserte blandinger, og dermed en kompositt). Egentlig er ingen materialer helt rene. Plaster: Stål: Messing: Herderrester og tilsettingsstoffer kommer i tillegg til den eller de kjemiske komponenter som omtales i "enklere lærebøker" Mest jern, men har også: Skadelige forurensninger f.eks. svovel, fosfor og div. andre metaller i uønsket mengde Ønskede tilsetninger passe mye karbon, silisium, mangan mm Kobber og sink i ønsket blandingsforhold, avhenger av ønskede egenskaper Fremstillings-historikken kan være meget viktig: plast passe lang reaksjonstid trevirke rette vekstforhold metaller størknetid og varmebehandling, evt. valsing og smiing. 1.2 Materialer kategorisert etter struktur Vi kan skille mellom den kjemisk / fysiske sub-mikro-oppbygningen (atomer og molekyler), denne er omtalt over, og makro / mikro-oppbygningen som nå følger: Polymer materialer: Lange molekylkjeder kveiler seg mer eller mindre tilfeldig opp Krystallinske materialer: Amorfe materialer Metaller og keramer, atomer, ioner eller molekyler danner et relativt enkelt, strengt repetert mønster og utgjør en krystall. I et material kalles et krystall også et korn. Kornene henger sammen, møter hverandre vanligvis uten hulrom, men med en uordnet overgang, kalt korngrenser. Kornstørrelse er viktig for egenskapene. Atomer og molekyler har en tilfeldig pakning. Glasser, de fleste plaster, sot 1 1 Sot kan kanskje ikke kalles et material. Sot består av bare karbon. Karbon kan også danne krystallinske former: diamant og grafitt (stoffet i bla. vanlige blyanter).

4 Side 4 av 7 Kompositter Sammensetninger av de tre ovennevnte grupper, glassfiber armert plast, betong armert med stålstenger, gummi armert med ståltråder, plast med bitte små gummipartikler, naturlige kompositter så som trevirke, sener og bein. 1.3 Bindingskreftene Materialenes enkeltdeler (atomer, molekyler, krystaller og partikler, fibere) henger sammen av kjemiske årsaker. En binding er å oppfatte som et bånd som holder noe sammen. (Inne i atomkjernene:) Kjernekjemi, hører ikke med til materiallæra. Mellom atomkjernen og elektronene: Forståelsen av dette har betydning for forståelsen stoffenes kjemiske egenskaper og dermed også for forståelsen av materialenes egenskaper. Elektronene grupperer seg på bestemte måter (orbitaler). Noen av elektronene kan gå ut og inn av atomet eller delvis ut og inn av atomet og deltar således i kjemiske bindinger. Antallet varierer. Vi tar oss likevel ikke tid til å gå i dybden. Dette er undervist i kjemifaget. De av atomets elektroner som deltar i bindingene kalles valenselektronene. Mellom atomer, Primære bindinger Ionebindinger Primære bindinger holder atomene sammen, for eksempel i molekyler (intramolekylære krefter bindinger). De primære bindingene deles inn i 3 hovedgrupper. Atomene kan avgi eller ta opp ett eller flere elektroner. Cu Cu e - Cu Cu + + e - + 2e - 2- Cl + e - Cl - Zr Zr e - Positive og negative ioner binder seg til hverandre = ionebinding eks.: CuCl, CuCl 2, Zr, Ag 2 De elektrostatiske kreftene går i alle retninger i rommet. Stoffer med ionebindinger er ikke molekylære fordi man ikke kan si hvilke to atomer som hører sammen. Stoffer med ionebindinger danner krytstallgitre i rommet. 2..der metallatomet danner det positive ionet, Cu 2+, Cu +, Zr 2+ osv. og ikke-metallet det negative ionet, Cl -, 2- osv., se kjemifaget.

5 Side 5 av 7 Bindingene strekker seg over hele krystallet (= et korn). Bindingen opptrer mellom to konkrete atomer og må brytes dersom atomene tvinges til å bytte plass av mekaniske krefter. Dvs. stoffer med ionebindinger knuses ved forsøk på deformasjon, de er sprø. Ionebindinger opptrer mellom metaller og ikke-metaller 3. Kovalente bindinger To atomer deler elektroner. Dette betyr deling av elektroner. Eksempel etan: formelenhet C 2 H 6 Strukturformel: H : C : C : H Etan, prikk-modell Hver prikk betyr ett elektron. To og to atomer deler elektronene mellom seg. Et slikt elektronpar kalles en kovalent (enkel-) binding. Atomene som inngår oppnår prefererte elektronkonfigurasjoner (2 elektroner for hydrogen og 8 elektroner for oksygen, jfr. oktettregelen) Etan er bygget opp av slike molekyler. Andre stoffer med kovalente bindinger kan danne kovalente gitre i rommet, og er da ikkemolekylære, eks, silisiumoksid-keram, Si 2 Silisiumoksid, Si 2 I kjemi lærer du mer om hvordan man finner ut at elektronstrukturformlene er akkurat slik. En enklere måte å skrive strukturformler på er å bytte ut de to prikkene med en strek. Etan vil da se slik ut: De kovalente bindingene er opprettet mellom konkrete atomer, stoffene er derfor også sprø med mindre molekylene er svært lange kan gli i forhold til hverandre som ved polymermaterialer (plast, særlig mykplast ). Rene kovalente bindinger opptrer mellom ikke-metaller. I praksis er det litt glidende overganger mellom ionebindinger og kovalente bindinger. Elektronladningen fordeler seg ikke jevnt mellom de impliserte atomer unntatt når de er helt like. En ren ionebinding kan betraktes som 100 % ladningsseparasjon, mens en ren kovalent binding (f.eks. i N 2 ) har 0 % ladningsseparasjon. Årsaken til ladningsseparasjonen ligger i elementenes natur (elektronegativitet). Konsekvensene er viktige, se sekundære bindinger under. :Si: :Si: :Si: :Si: H C C H Etan, strekmodell 3.. noen ioner kan være sammensatte. Ammonium, NH 4 + er et sammensatt, positivt ion, men slike sammensatte positive ioner er uten betydning for materialer, se for øvrig kjemifaget.

6 Side 6 av 7 Metallbindinger Bindingsformen oppstår i metaller. Ett eller flere av hvert metallatoms valenselektroner avgis til en elektronsky eller gass. Denne flyter fritt mellom ionene (metallatomer som har avgitt ett eller flere elektroner til denne gassen). Den minste elektriske spenningsforskjell kan flytte elektrongassen (metallene leder elektrisk strøm). Elektrongassen kan svinge i takt med lys av alle farger (bølgelengder), metallene reflekterer lys av alle farger uten inntrengning, hvilket gir dem metallglans. Bindingene har ingen bestemte retninger. Atomene kan derfor flyttes av mekaniske påvirkninger i forhold til hverandre og likevel henge sammen, metallene kan være duktile, dvs. de har evnen til å formes plastisk uten å miste sammenhengsevnen. Duktilitet er et helt spesielt fenomen for metaller. Elementene deles inn i metaller og ikke-metaller. Noen av metallene har meget sterk metallkarakter. Andre har også egenskaper som ligner på ikkemetallenes. Mellom molekyler, Sekundære bindinger Molekylkrefter. Finnes i større eller mindre grad mellom alle molekyler, som et slags lim. I molekylære gasser overvinnes molekylkreftene mellom molekylene av de termiske bevegelsene, og molekylene forlater hverandre, de henger ikke sammen. Ved lavere temperatur kondenseres gassene til væsker. I væsker er de termiske bevegelser fortsatt for store til at molekylene kan låses i bestemte posisjoner, men de ligger tett mot hverandre. I faste stoffer låses molekylene fast i forhold til hverandre av molekylkreftene, som danner bindinger. Disse kalles sekundære bindinger eller Van der Waalske bindinger. Hvis den kovalente bindingen opprettes mellom stoffer som fordeler elektronene skjevt mellom seg, blir bindingen mellom atomene polar kovalent. Dette har som konsekvens at de Van der Waalske bindingene blir sterkere enn de ellers ville ha vært. PVC har både klor og hydrogen. Disse danner polarkovalente bindinger, som gjør at ren PVC-plast blir hard og sprø 4. PE-plast er upolar og beholder sin mykhet til relativt lave temperaturer. Hvis stoffet har kovalente bindinger der det inngår både hydrogen og minst ett av elementene N,, F, blir den polare virkning spesielt sterk. Hydrogenatomet vil da danne en bro mellom to naboatomer. Dette er en spesielt sterk type sekundær binding. Styrken er omtrent 10% av en primærbinding (kovalentbinding). Den har et eget navn og kalles hydrogenbinding. Vi finner den i f. eks. is og polyamidplast. Videre har hydrogenbindinger en vesentlig rolle i termoplastiske elastomerer (elastoplaster, smeltbare gummier). 4 Myk PVC er tilsatt mykner, som er et lavmolekylært, polart stoff som legger seg mellom molekylene se tema Plast og polymerer som kommer senere.

7 Side 7 av 7 Spørsmål: 1) Hvilke hovedgrupper av konstruksjonsmaterialer har vi? 2) Hva menes med seighet og hva menes med fasthet av et materiale. 3) Er disse materialene atomære, molekylære, ioniske, kompositter, blandinger: Plast, papir, titan, PVC, støpejern, trevirke, leca. 4) Hvilke bindingstyper finner vi i kobber, bordsalt (NaCl), SiN-keram, polypropen (polypropylen), glassfiberarmert polyester, beinvev, PVC, støpejern. (Spørsmål 4 var ikke bare lett på nåværende tidspunkt. Bruk tabeller og evt. oppslagsverk og se hva du kan finne ut. Det er ikke detaljene som er viktige. Men det vil være svært nyttig hvis du kan finne noen knagger å henge kunnskapen på og så resonnere ut fra dette.) 5) Ta for dere en satellitt / romsonde og kategoriser materialene med strukturell og innkapslende funksjon iht. hovedinndelingen av konstruksjonsmaterialer, se Vi vil ta vare på resultatene fra denne oppgaven. Vi skal finne frem til en rapportform som skal gjøre det mulig å finne frem i oppsamlede opplysninger.